超声波预处理城市水厂剩余污泥的研究

韩青青　林雪君　李燕敏　范奎　林慧　刘小英

（1.中钢集团武汉安全环保研究院有限公司　武汉430081；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院　武汉430070；3.北京城建亚泰建设集团有限公司　北京100013；　4.孝感中设水务有限公司　湖北孝感432300）

超声波预处理城市水厂剩余污泥的研究

韩青青1林雪君2李燕敏3范奎4林慧2刘小英2

（1.中钢集团武汉安全环保研究院有限公司武汉430081；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070；3.北京城建亚泰建设集团有限公司北京100013；4.孝感中设水务有限公司湖北孝感432300）

利用超声波处理剩余污泥，通过离心作用模拟污水厂污泥脱水过程，以离心后含水率表征剩余污泥的脱水性能 ，最终确定最佳超声条件为：超声时间10 min，超声声能密度0.8 W/mL；另外分别研究了单独超声作用、单独絮凝剂作用以及超声-絮凝联合作用对剩余污泥脱水性能的影响。结果表明，单独超声处理或絮凝调理均可降低剩余污泥离心后含水率，超声波与絮凝剂共同作用能更好地提高剩余污泥的脱水性能，并对剩余污泥脱水性能改善的机理进行了理论分析。

超声波 剩余污泥 脱水性能 机理 含水率

0　引言

随着城市污水处理厂的普及，污泥排放量也以较高的速度增加。据报道，城市污水处理厂每年排放干污泥约为30×106t，且每年约以10%速度增长。剩余污泥具有体积大 ，含水率高（一般在97%以上，机械脱水后仍高达80%～90%）的特点，成为污水处理厂亟需解决的一个严重问题。有效降低剩余污泥含水率的措施受到广大研究者关注。当前，膜处理、冷冻-解冻、添加石灰等可有效提高污泥脱水率，但其费用较高。超声波作为一种新型技术 ，具有反应条件温和、时间短、操作简单等特点。它主要利用低频超声波（20～100 kHz）空化和水力剪切的作用，破解污泥团絮结构，释放酶等物质加速水解。

若不考虑胞外聚合物 ，污泥中的水分可分为自由水（空隙水）、毛细水、吸附水和内部水四种（如图1）。有研究通过引入“菌胶团包含水”，将污泥中水分为自由水（～70%）、菌胶团包含水（～27%）、毛细管水（～1%）和结合水（～1%）四部分。菌胶团包含水量较高，而且保水性强，是污泥脱水的关键。通过超声作用破坏菌胶团，释放其所含水，同时不破坏污泥的颗粒性。据报道，超声时间、声能密度是影响超声作用效果的关键［1-7］，也有研究者发现，超声处理与其他方法联用能有效降低其含水率（超声与絮凝剂、超声联合臭氧处理等）。综上所述，本研究以污水处理厂剩余污泥为研究对象 ，探讨超声声能密度和超声时间对污泥含水率的影响，找出相对最敏感因素，最终确定最佳的超声相关参数，同时研究超声-絮凝联合作用对污泥脱水性能的影响，并利用已有的研究进行进一步理论分析。

图1　污泥水分示意

1　实验部分

1.1污泥来源

实验用污泥取自湖北省孝感市污水处理厂A/ A/O工艺处理后的剩余污泥。污泥基本的理化性质为：含水率99.44%，SS 5 522 mg/L，SV 40%。

1.2实验仪器

实验所用主要仪器见表1。

表1　实验仪器一览表

1.3测试方法

通过实验室的离心过程模拟污水厂污泥脱水，测试离心后含水率表征污泥的脱水性能，离心（6 000 r/min，5 min）后含水率越高，污泥脱水越困难。

离心后含水率：污泥经离心作用（6 000 r/min，5 min）后测滤饼含水率。污泥含水率的测定参考谢浩辉等人［8］的论文并通过小试验后，采用热干燥法。

2　结果与分析

2.1超声对污泥含水率的影响

2.1.1超声时间对污泥含水率的影响

图2为超声声能密度0.8 W/mL，不同超声时间下剩余污泥离心后含水率变化。污泥离心后含水率为94.68%，经过超声预处理后，污泥离心后含水率均降低。在超声时间为10 min时，污泥离心后含水率降到最低，脱水性能最佳。超声6 min离心后含水率高于超声10 min，可能由于超声时间较短，污泥破解不完全；超声15 min和超声20 min，离心后含水率分别为83.01%和83.12%，高于超声10 min和6 min离心后含水率。由此可见，随着超声时间延长，污泥离心后含水率反而升高，这说明较短时间超声利于提高污泥脱水性能，时间过长脱水性能反而恶化。可能由于超声波破坏污泥结构，其产生的海绵效应促使水从波面传播产生的通道转移到污泥絮体的外部成为自由水，但较长时间的超声辐射会使输入总声能太大，超声波的声空化及机械破碎作用使污泥颗粒粒径减小，脱水性能反而下降［6］。

通过上述试验确定了最佳超声时间为10 min。

2.1.2声能密度对污泥含水率的影响

图3是污泥经过不同超声声能密度（试验中保证超声污泥体积一定，改变超声强度相应地改变超声声能密度）处理后的离心后含水率变化情况，超声时间为10 min。从图3中可以看出，随着超声功率的增大，污泥离心后含水率呈现先下降后升高的趋势，声能密度为0.8 W/mL时污泥离心后含水率最低，为82.84%，脱水性能最好。采用适宜功率的超声波处理时，通过破坏污泥的菌胶团结构，使其中的内部水部分排出，提高污泥的脱水性能；超声波功率过小，污泥菌胶团破坏不完全，处理后含水率仍然较高；采用过高功率的超声波处理时，产生的空化效应和机械作用，使污泥颗粒过分破碎，不利于脱水，从而脱水性能下降［9］。

图2　不同超声时间下污泥离心后含水率

图3　不同声能密度下污泥离心后含水率

2.1.3最适超声条件

通过上述实验初步确定，最适超声条件为：超声声能密度0.8 W/mL，超声时间10 min。超声时间过短或过长，污泥的离心后含水率升高，超声波功率过小或过高，也会导致污泥脱水性能下降。

本实验得出的超声时间和超声声能密度对污泥含水率的影响规律与现阶段许多学者的研究［2，4-7，9-12］一致 ，但最佳条件有所不同。这主要与污泥来源、处理方式有关。

2.23种不同的处理方式对污泥脱水的影响

本研究分别以单独超声处理（处理方式1）、单独投加絮凝剂（处理方式2）、先超声作用再投加絮凝剂（处理方式3）3种方式研究其对污泥脱水性能的影响。实验用絮凝剂为阳离子聚丙烯酰胺（PAM），絮凝剂投加量参照文献［2-4］，确定为污泥干基的7‰。原泥离心后含水率为92.31%，每种处理方式平行试验两份，3种不同处理方式的污泥脱水效果如图4所示。

图4　3种不同的方式处理后污泥离心后含水率的变化

由图4可知，3种处理方式均可以降低污泥离心后含水率，改善污泥的脱水性能，处理方式3的污泥脱水效果优于处理方式l及处理方式2，能使离心后含水率降至89.83%，降低了2.48%，即超声波与絮凝剂共同作用能更好地提高污泥的脱水性能，如果要达到相同的脱水效果，超声絮凝共同作用可以减少絮凝剂用量，与殷绚等［2］研究结果一致。污泥的絮体经超声辐射作用后，污泥絮体结构发生了变化，促使水分存在形态向着易于脱水的状态转变，相应脱水性有了部分提高，再投放适量阳离子型絮凝剂，使污泥颗粒表面的负电性与阳离子絮凝剂的正电性中和，消弱了颗粒之间斥力作用，使絮体脱稳，同时高分子絮凝剂强大的吸附架桥作用将污泥颗粒进一步团聚，水分被挤压出来形成自由水 ，污泥脱水性能得到很好的改善［12］。

联合絮凝剂作用对超声条件的影响发现，其相应的最佳超声条件值较小。如李玉瑛等［10］认为，当声能密度为0.01～0.02 W/mL，超声时间40 s时污泥滤饼含水率达到最低值。而单独超声处理［11］超声效应对污泥的破坏作用有限，滤饼含水率变化较小，能量密度提高到0.5 W/mL时，污泥外层的结合水被充分释放，脱水性能得到明显改善，与本实验结果接近，但在实际应用中宜考虑经济因素取较小值。

2.3污泥脱水性能改善的机理

从声学角度看，超声波法主要利用声波的能量来降解污泥［13］。超声波处理污泥时，通过调整污泥内部结构，破坏菌胶团结构，促使其中的水释放出来，改善污泥脱水性能；同时，超声波对污泥会产生海绵效应，使水分从波面传播产生的通道通过；此外，超声波产生的局部发热、界面破稳和扰动等作用，均加速固液分离过程，利于改善污泥脱水性能。

絮凝剂调理污泥主要通过吸附架桥与电荷中和来实现。阳离子型絮凝剂通过与污泥颗粒表面的负电荷进行电性中和，消弱颗粒间的静电斥力，使污泥体系脱稳，同时由于高分子絮凝剂巨大的比表面积，有效吸附污泥颗粒 ，有利于形成相对较大的致密坚实的网状絮体结构，提高污泥的脱水性能。

由污泥絮体结构的显微观察（图5）可知，原泥絮体相对较大，絮体间隙多，含有大量间隙水；图5（b）表明，超声作用使絮体颗粒尺寸变小，菌胶团结构的破坏，使其间所含水转化为自由水；图5（c）可以看出，絮凝剂改善絮体的团聚性能，电中和作用使污泥颗粒脱稳，通过吸附架桥使颗粒迅速形成大的絮体，将表面附着水挤压转化为游离水；图5（d）表明，超声-絮凝剂联合作用使污泥颗粒尺寸变小且污泥絮体团聚更密实，通过超声作用调整污泥结构，促使菌胶团包含水转移为自由水 ，再通过吸附架桥与电中和作用进一步提高污泥的脱水性能（作用过程见图6、图7）。

3　结论

（1）超声处理剩余污泥可以改善其脱水性能，最适超声条件为：超声时间10 min，超声声能密度0.8 W/mL。

（2）单独超声处理或者单独絮凝调理均可降低污泥离心后含水率，改善污泥的脱水性能，而超声波与絮凝剂联合作用能进一步提高污泥的脱水性能，而且减少絮凝剂用量，节约成本。

（3）超声破坏菌胶团结构，使其包含水转移到污泥絮体的外部成为自由水，絮凝阶段通过吸附架桥与电中和作用将表面附着水挤压转化为游离水 ，改变污泥的脱水性能。

（4）本文为实际污水厂优化污泥脱水提供了参考，推荐采用超声波与絮凝剂共同作用。

图5　不同处理条件下污泥絮体结构的变化（×100倍）

图6　超声辐射改善污泥脱水性过程

图7　絮凝调理改善污泥脱水性过程

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Study on Municipal Waste Activated Sludge by Ultrasonic Pretreatment

HAN Qingqing1LIN Xuejun2LIYanmin3FAN Kui4LIN Hui2LIU Xiaoying2
（1.Sinosteel Wuhan Safety&Environmental Protection Research Institute Co.，Ltd. Wuhan 430081）

Experiments are performed to study the ultrasonic pretreatmentof waste activated sludge.Centrifugation is used to simulate the dewatering process of waste sludge and dewatering characteristics of the sludge are reflected by after-centrifugation moisture content.The results show that the optimum operational parameters are as follows：ultrasonic treatment time 10 min and ultrasonic density 0.8 W/mL.The effects of ultrasonic treatment，coagulant treatmentand the combination of these two methods on sludge dewatering characteristics have been studied.The study indicates that：both ultrasonic treatment and coagulant treatment can reduce after-centrifugation moisture content of the waste sludge，but the combination of ultrasonic and coagulant treatment is more effective in enhancing sludge dewatering.And further analysis about the mechanism is also discussed combined with the results and previous studies.

ultrasonic wave waste activated sludge dewatering characteristics mechanism moisture content

韩青青 ，女，1982年生，工程师，主要从事科研管理及环保技术研究。

（2015-09-20）